[发明专利]原子层热电堆热流传感器及制备方法

说明书

原子层热电堆热流传感器，属于薄膜热流传感器技术领域。本发明包括内部晶面为倾斜取向的单晶基底和十字形热电堆薄膜，所述十字形热电堆薄膜设置于单晶基底的表面，十字形热电堆薄膜的四条臂与单晶基底的倾斜方向构成正交关系，十字形热电堆薄膜的四个端点各自设置有电极。本发明在ALTP热流传感器测量热流密度的基础上，通过传感器功能层薄膜的电阻用于准确的温度测量，利用对温度的标定获得该温度下传感器的灵敏度，进而获得准确的热流值，显著提升了热流测试精度。

技术领域

本发明属于薄膜热流传感器技术领域。

背景技术

原子层热电堆(ALTP)热流传感器是一种基于温度梯度的热流传感器，与薄膜热电堆热流传感器不同的是，ALTP热流传感器的敏感元件为倾斜生长的ALTP功能层薄膜，制备相对简单，功能层薄膜既是热阻层，又是温度梯度场下电压信号产生元件。通常薄膜厚度仅为几百纳米，所以ALTP热流传感器相应很快(亚微秒量级)。当沿薄膜纵向存在温度梯度时，由于材料的各向异性导致横向Seebeck效应，即垂直于温度梯度方向产生热电势输出U。基于一维传热假设，ALTP热流传感器灵敏度K可以表示为：

其中，S_ab、S_c分别表示薄膜ab面和c轴方向的Seebeck系数，a、l、d分别表示薄膜倾斜角度、有效长度、厚度，ΔT表示薄膜上下表面温差，q表示热流密度，κ_Z表示沿薄膜纵向的热导率。固体材料的总热导率κ由晶格热导率κ_L和电子热导率κ_e组成，表达式如下：

κ＝κ_l+κ_e

κ_e＝LσT

其中，L表示洛伦兹常数，σ表示薄膜电导率，T表示绝对温度。

由上可知，ALTP热流传感器的灵敏度除了与功能层薄膜的结构参数相关外，更与薄膜的物理参数密切相关，包括Seebeck系数、电导率和热导率。ALTP薄膜对温度十分敏感，其物理性质(Seebeck系数、电导率、热导率)会随温度发生变化，进而导致ALTP热流传感器在不同温度下的灵敏度发生变化。

在ALTP热流传感器的实际应用过程中，不同测试场景下环境温度是不同的，而且热流的侵入也会引起功能层薄膜温度的变化。因此，在不同温度环境、不同热流条件(特别是大热流)下追求准确的热流测试就必须获得此时ALTP功能层薄膜的真实温度，从而可以得到更为准确的热流值。德国斯图加特大学Roediger等人为测得ALTP热流传感器温度，在功能层薄膜的衬底背面安装了热电偶。但是在热流测试过程中，衬底背面的温度并不代表功能层薄膜的实际温度，二者之间存在明显的温差。另一方面，对于脉冲热流的侵入，热电偶的反应缓慢，导致所测温度与功能层薄膜的实际温度相差更大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精度的原子层热电堆热流传感器及制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，原子层热电堆热流传感器，其特征在于，包括内部晶面为倾斜取向的单晶基底和十字形热电堆薄膜，所述十字形热电堆薄膜设置于单晶基底的表面，十字形热电堆薄膜的四条臂中，两条臂垂直于单晶基底的倾斜方向，另外两条臂平行于单晶基底的倾斜方向；十字形热电堆薄膜的四个端点各自设置有电极。

进一步的，所述十字形热电堆薄膜的厚度为250nm，长度为10mm，宽度为8mm，臂宽为2mm。

本发明的原子层热电堆热流传感器的制备方法包括下述步骤：

1)将功能层薄膜材料沉积到倾斜取向的单晶基底的表面，所述功能层薄膜材料为钇钡铜氧化物或者镧钙锰氧化物；